一種新型壓電泵的制作方法
【專利摘要】壓電泵是微型泵制造技術的革命性產品，由于其結構簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾。但由于周邊支撐固定陶瓷片的變形首先要克服支撐對陶瓷片變形的限制，做變形運動所需能量較大而變形量較小，故輸出流量低效率不高。本發明的主要目的是設計一種新的壓電陶瓷驅動壓電陶瓷泵，克服上述壓電泵工作中的不足，實現使用較小的能量即能做到較高的輸出流量和壓力。其主要特征包括壓電振子為一端固定在殼體上或中心固定，其余部分懸空于腔體內形成一個懸臂式支撐。這種方式可使壓電振子前端產生較大的撓曲變形，同時具有較低的諧振頻率；壓電振子周邊與殼體之間的縫隙用單向密封圈密封，構成雙腔體泵或壓電振子周邊與殼體之間也可以用彈性膜結構密封，構成一個典型的單腔泵。
【專利說明】一種新型壓電泵
所屬【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子流體機械領域，可用于醫療器械，生物工程，微型器械等【技術領域】的微型液體或氣體驅動泵，具體的說是利用壓電陶瓷的逆壓電效應使壓電振子產生變形，再由變形產生泵腔的容積變化實現流體輸出的一種微泵制造技術。
【背景技術】
[0002]壓電泵是微型泵制造技術的革命性產品，盡管它的發明與發展僅20多年的歷史，但由于其結構簡單、體積小、重量輕、耗能低、無噪聲、無電磁干擾，可根據施加電壓或頻率控制輸出微小流量，所以在眾多領域得到成功應用。1978年美國Sandia國家實驗室的W.J.Spenser發表了《電控壓電胰島素泵和閥》;1980年Standora大學的Smits又提出了壓電液體蠕動泵；三年后，荷蘭Twente大學利用硅微加工及薄膜技術研制了多個壓電驅動微型泵。隨著壓電驅動器的不斷發展，從壓電材料薄到圓片形壓電驅動器再到壓電疊堆，壓電驅動器種類得到了不斷的更新，基于不同壓電驅動器，不同機械結構，不同工作方式的壓電泵均有了廣泛的報道。
[0003]目前，已有的有閥壓電泵工作時，其腔體的體積變化量大大超過了其流體輸出量；無閥壓電泵則會產生速度及壓強顯著變化的湍流流場，影響含活性成分液體的輸送，或有截止性能和工作輸出壓力的不足。
[0004]究其原因是由于壓電泵腔體內關鍵部件壓電陶瓷片的設計及安裝方式造成的。現有的壓電泵其壓電陶瓷電極片是四周都固定在殼體內側，當給予交流電時，壓電振子在電場的作用下徑向壓縮，內部產生壓力而使其自身變形。但由于周邊支撐固定陶瓷片的變形首先要克服支撐對陶瓷片變形的限制，做變形運動所需能量較大而變形量較小，故輸出流量低效率不高。
【發明內容】
[0005]本發明的主要目的是設計一種新的壓電陶瓷驅動壓電陶瓷泵，克服上述壓電泵工作中的不足，實現使用較小的能量即能做到較高的輸出流量和壓力；進口閥或出口閥分別位于壓電陶瓷的兩側，克服回流現象。
[0006]該產品不同于現有產品的設計是:其一，壓電振子為一端固定在殼體上或中心固定，其余部分懸空于腔體內形成一個懸臂式支撐。這種方式可使壓電振子前端產生較大的撓曲變形，同時具有較低的諧振頻率。壓電振子是指壓電陶瓷片與之粘接在一起的金屬片的組合體。當向壓電振子施加電壓時，若電壓方向與壓電陶瓷的極化方向相同，壓電陶瓷就會收縮，反之，若電壓方向與壓電陶瓷的極化方向相反，則壓電陶瓷就會延伸。壓電陶瓷的伸縮變形會使與之粘結在一起的金屬片也發生伸縮變形，但壓電陶瓷片與金屬片的伸縮能力不同，當壓電振子的一端被固定時，將會使壓電振子發生縱向的彎曲變形。所以當外加電壓為交變信號時，壓電振子便會沿縱向形成周期性的彎曲變形振動，將電能轉化為變形機械能。振子的周期性變形使得振子于上下蓋之間的體積也發生周期性變化，振子與上蓋間體積變大時其與下蓋間體積就變小，反之振子與上蓋間體積變小時其與下蓋間體積就變大。在單向閥的作用下這種體積的變化就驅動液體或氣體向一個方向流動。其二，壓電振子為一端固定在殼體上或中心固定在殼體上，其周邊與殼體之間的縫隙用單向密封圈密封，構成雙腔體泵，流體能夠從一個方向流過此間隙。此種設計使壓電陶瓷片在通電后做變形運動更加輕便靈活，不受殼體限制；變形量大，驅動功率小，效率高。其三，進口閥或出口閥位于壓電振子片兩側的殼體上，當壓電陶瓷片工作時，彎曲運動所產生的泵腔容積變化使液體從一側通過單向密封圈流往另一側。壓電振子周邊的單向密封圈起到一個單向閥的作用，所以只需要一個進口閥或一個出口閥，而不需要裝兩個單向閥。其四，壓電振子周邊與殼體之間也可以用彈性膜結構密封，構成一個典型的單腔泵。此種結構的懸臂泵就需要兩個單向閥。
[0007]本發明具有以下優勢:首先是效率提高。由于固定點位于壓電體的中心，邊緣可以自由活動，在相同電壓下其變形量能達到常規邊緣支撐的數倍。泵的輸出流量和輸出壓強也大大提聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0008]圖1是新型壓電泵的結構圖，其中I是泵上殼；2是單向密封圈；3是壓電振子；4是閥膜固定片；5是單向閥膜；6是泵下殼。
圖2是實施方式I中方形或長方形泵腔，方形或長方形壓電振子端點固定壓電泵的結構圖，其中I是下殼體；2是單向密封圈；3是壓電振子；4是單向閥膜；5是上殼體。
圖3是實施方式2中方形或長方形泵腔，方形或長方形壓電陶瓷中間固定壓電泵的結構圖，其中I是下殼體；2是單向密封圈；3是壓電振子；4是單向閥膜；5是上殼體；6是壓電振子固定梁。
圖4是實施方式3中圓形泵腔，圓形壓電陶瓷片，中點固定彈性膜密封壓電泵的結構圖，其中I是上殼體；2是壓電振子；3是彈性密封膜；4是單向閥膜；5是下殼體。
【具體實施方式】:
[0009]實施方式I
[0010]方形或長方形泵腔，方形或長方形壓電振子端點固定
[0011]圖2:1下殼體2單向密封圈3壓電振子4單向閥膜5上殼體
[0012]泵殼由上下兩部分組成，上下殼體中間有一方形或長方形的槽。壓電振子片的寬度小于殼體槽的寬度，長度大于殼體槽的長度。單向密封圈夾在上下殼體之間，壓電振子片位于單向密封圈的一側與單向密封圈接觸。壓電振子片的三個邊緣與槽的側壁保持一定的間隙，另外一邊固定在槽的側壁。
[0013]實施方式2
[0014]方形或長方形泵腔，方形或長方形壓電陶瓷中間固定
[0015]泵殼由上下兩部分組成，上下殼體中間有一方形或長方形的槽。槽的中央有一根梁用于固定壓電振子片。壓電振子片小于殼體上的槽。單向密封圈夾在上下殼體之間，壓電振子片位于單向密封圈的一側與單向密封圈接觸。壓電振子片的邊緣與槽的側壁保持一定的間隙。
[0016]圖3:1下殼體2單向密封圈3壓電振子4單向閥膜5上殼體
[0017]6壓電振子固定梁
[0018]實施方式3
[0019]圓形泵腔，圓形壓電陶瓷片，中點固定彈性膜密封
[0020]圖4:1上殼體2壓電振子3彈性密封膜4單向閥膜5下殼體
[0021]泵殼由上下兩部分組成，上下殼體中間有一圓形的腔體。上下殼體之間有彈性薄膜將腔體分為上下兩部分，薄膜邊緣有波紋可以使薄膜邊緣固定在上下殼體之間而薄膜本身可以振動。壓電振子片位于薄膜的一側，其直徑小于腔體的直徑。另一側腔體的殼體上設置兩個單向閥，流體方向相反。
【權利要求】
1.一種壓電陶瓷驅動的低能耗高效率壓電陶瓷泵，由殼體，進口，進口單向閥門，一端固定的壓電陶瓷片和電極，與壓電陶瓷相連接的彈性材料片，壓電陶瓷振動片四周的單向密封圈和出水口組成。進口與出口分別位于殼體前后側，壓電陶瓷片兩側分別是電鍍銀膜和彈性材料電極片，此壓電陶瓷三明治結構的各邊懸空在殼體內，空隙由單向密封圈密封，中間或一邊固定在殼體上，其余各邊與殼體間的空隙由單向密封圈密封。
2.根據權利要求1所述的液體泵，其殼體特征在于上述所有部件都裝配在殼體內部同一區域構成一個密封而美觀的整體。
3.根據權利要求1所述的壓電陶瓷泵，其進口端有單向閥而出口端無需單向設計。
4.根據權利要求1所述的壓電陶瓷泵，壓電陶瓷片兩面分別是彈性材料電極片和一層銀膜組成壓電陶瓷振動片。當給予此壓電陶瓷三明治結構以交流電時陶瓷片由于逆壓電效應而收縮和伸長變形帶動振動片作彎曲運動。
5.根據權利要求1所述的壓電陶瓷泵，壓電陶瓷振動片為一端或中心固定在殼體上，其余部分懸空于腔體內構成一個懸臂或舌簧，或周邊都懸空于腔體內，其形狀可根據泵腔的形狀而定。壓電陶瓷振動懸臂除中心或固定端外其余邊緣與泵腔體有一個小的縫隙，縫隙有單向密封圈密封。單向密封圈與壓電陶瓷振動片相互接觸，可以在泵腔體內壁滑動。因為是中間或一端固定，懸臂自由端的振幅大、振動效率高，在相同電壓下，泵的輸出流量、輸出壓力大大提高。
6.根據權利要求1所述的壓電陶瓷泵，其彈性材料電極片，有良好的彈性和導電性(若是彈性材料不導電則可在彈性材料與陶瓷片之間再鍍一層銀膜)并與壓電陶瓷緊密相連接。彈性材料和陶瓷片的厚度為0.05-0.5mm,彈性材料和陶瓷片直間的粘接厚度為0.01-0.1mm。
7.根據權利要求1所述的壓電陶瓷泵，其單向密封圈為環形或長條形一邊固定在殼體上或一邊固定在壓電陶瓷片上，另一邊搭在壓電陶瓷片上或殼體上形成單向液體通道。當通電后壓電陶瓷片作彎曲搖擺時，密封圈跟隨其一起活動并將液體單向送往另一側。
【文檔編號】F04B43/04GK104421137SQ201310375847
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月23日 優先權日:2013年8月23日
【發明者】席斌 申請人:席斌